Применение ультразвукового интерференционного сканирующего дефектоскопа

Об авторах

Необходимо войти для просмотра
Гурьева
Тамара Михайловна
Начальник группы ФГУП «НИИЭФА им. Д.В. Ефремова» (Санкт-Петербург), II уровень по акустическому, капиллярному и рентгеновскому контролю. Научные интересы: разработка и внедрение прогрессивных методов и средств НК качества высокоэнергетических объектов.

Необходимо войти для просмотра
Егоров
Николай Николаевич
Технический директор по ультразвуковому оборудованию ЗАО «ТЕСТРОН» (Санкт- Петербург), к. ф.-м. н., доцент. Научные интересы: дифракционные задачи акустики, автоматизированные системы УЗК качества изделий ответственного назначения.

Введение

Создание новых технических средств ответственного назначения предъявляет все более высокие требования к контролю качества их изготовления, а также к будущей эксплуатационной безопасности. Высокий уровень достоверности контроля обеспечивают автоматизированные системы ультразвуковой визуализации [1, 2], позволяющие получать трехмерные представления результатов обследования объектов. С помощью таких систем успешно решаются задачи дефектометрии. При УЗК сложных многослойных изделий возникает необходимость применения акустической голографии - интерференционного способа получения изображений различных объектов с помощью акустических волн. Используются такие ее достоинства, как трехмерность и точность представления результатов контроля, высокая помехоустойчивость, широкие возможности обработки и корректировки полученной информации. Применение методов голографической интерферометрии позволяет обнаруживать и измерять слабо отражающие объекты благодаря лишь изменению фазы взаимодействующего с ними поля. Хорошие результаты при исследовании «фазовых» объектов дает использование донного зеркального сигнала. В этом случае зондирующее излучение дважды проходит сквозь объекты (схема на отражение), способствуя повышению фазового контраста.

Сущность голографического метода состоит в одновременной регистрации амплитуды и фазы рассеянного объектами волнового поля. Способы регистрации зависят от свойств приемника и всего приемного тракта в целом. Так, в оптике вследствие использования очень высоких значений несущей частоты (~ 1014 Гц) не существует приемников с малой постоянной времени. Поэтому вынужденно применяют квадратичные приемники с большой постоянной времени. При этом единственным способом регистрации фазы является интерференционный метод.

Более широкие возможности реализуются в акустике, где кроме квадратичных приемников существуют и используются удобные линейные приемники ультразвука. Это приводит к ряду особенностей, не имеющих аналогов в оптике и расширяющих возможности голографического метода. Для квадратичного приемника требуется сначала сложить опорную и рассеянную объектом волны, а затем зарегистрировать результат их интерференции. Для линейного приемника звука порядок операций может быть либо таким же, либо иным. Сначала регистрируют рассеянную объектом волну и уже после этого складывают ее с опорной. Благодаря этому реальный акустический сигнал можно заменить специальным электрическим сигналом в регистрирующем приборе после приема объектной волны. Таким сигналом может быть измененный сигнал генератора, питающего излучатель.

При использовании малоинерционного линейного приемника звука можно вообще отказаться от опорного сигнала (реального акустического или имитированного электрического), так как в этом случае в каждый момент времени регистрируется «мгновенная картина» акустического поля. В отличие от интерференционного метода фаза объектной волны регистрируется не по отношению к фазе опорного сигнала, а по отношению к определенному моменту времени регистрации. Полученная картина поля представляет собой голограмму «с временным репером». Подобные этой голограммы получают в успешно развивающейся импульсной голографии, использующей когерентные импульсные сигналы.

Применение высокопроизводительных ЭВМ для обработки голограмм является весьма перспективным. Развиваются комбинированные способы сканирования как с помощью механического перемещения, так и путем электрической коммутации элементов в многоэлементных акустических системах. Немаловажным фактором является высокое качество аппаратуры, обеспечивающей регистрацию и обработку информации. Ультразвуковые преобразователи должны быть линейными, широкополосными и свободными от внутренних паразитных сигналов. Столь же линейным, широкополосным и помехозащищенным должен быть приемноусилительный тракт. Максимально возможной должна быть частота дискретизации сигнала перед его вводом в ЭВМ (в практической дефектоскопии - не менее 100 МГц). Для получения высококачественных изображений необходимо обеспечивать максимально возможную стабильность работы синхронизирующих и дискретизирующих устройств.

В данной работе описаны возможности ультразвукового интерференционного сканирующего дефектоскопа (ИСД) при контроле качества различных объектов.

Аппаратура

В состав ИСД (рис. 1) входят: прецизионный сканер с устройством управления; электронный блок восьмиканального ультразвукового дефектоскопа «ФАЗУС»; высокопроизводительная ЭВМ.


Используется иммерсионный, струйный, щелевой или контактный ввод различных волн (объемных продольной и поперечной, поверхностной

Рэлея, нормальной Лэмба) в объект контроля под необходимыми углами с помощью набора ПЭП. Возможно применение совмещенных, раздельно- совмещенных, фокусирующих и высокотемпературных ПЭП. При УЗК применяли частоты от 1 до 15 МГц. В каждой точке зондирования проводится запись полного А-скана в необработанном виде. В процессе сканирования с целью оперативного контроля работоспособности аппаратуры в реальном масштабе времени и достижения высокой производительности УЗК на экран монитора выводится только «традиционная» дефектограмма (изменение цвета при выполнении принятого условия сравнения амплитуды сигнала с уровнем строба). После завершения сканирования вся полученная информация автоматически сохраняется в базе данных. В режиме постпроцессинга исследуются интерференционные изображения поверхностей и внутренней структуры объекта контроля, полученные в результате дифракции на них падающего акустического импульса. Применение метода дифференциально-интерференционного контраста («цветного» контраста) позволяет увеличить разрешающую способность ИСД за счет дополнительного цветового оформления контуров и фона.

В режиме постпроцессорной обработки ИСД имеет следующие сервисные возможности исследования полученных результатов контроля:

1. Анализ интерферограмм на поверхностях и на любой глубине внутри объекта.
2. Просмотр и анализ А-скана в любой точке зондирования.
3. Просмотр и анализ В-сканов во взаимно-перпендикулярных сечениях объекта, проходящих через ось зондирования в любой точке.
4. Послойный анализ поля внутри объекта.
5. Амплитудная фильтрация сигналов с помощью цветовой шкалы.
6. Изменение границ и уровней стробов позволяет глобально и локально исследовать результаты контроля при различной чувствительности без повторного сканирования.
7. Применение акустической лупы позволяет визуализировать и исследовать поверхности одинаковой фазы, весьма чувствительные к неоднородностям.
8. Измерение расстояний в трехмерном пространстве.
9. Исследование с помощью сечений внутренних неоднородностей и определение их геометрических параметров.

Контроль поверхностей

УЗК поверхности и приповерхностного слоя амплитудным эхо-импульсным дефектоскопом, работающим с использованием продольной волны, практически невозможен из-за большой «мертвой зоны». Однако с помощью ИСД эта проблема может быть успешно преодолена.

На рис. 2 изображен вольфрамовый образец, в котором электроэрозионным способом изготовлены боковой пропил шириной 0,5 мм и три глухих неплоскодонных отверстия диаметрами 0,5; 0,5 и 1,0 мм. На поверхностях видны следы механической обработки.

УЗК с применением обычного амплитудного метода регистрации неоднородностей позволил снять на частоте 8,5 МГц дефектограмму (рис. 3), где хорошо видна отметка только от бокового отверстия.


Попытки снять дефектограмму при повышенной чувствительности контроля приводят только к ее «зашумлению» сигналами от структурных неоднородностей, на фоне которых не видны изображения других искусственных дефектов.


С помощью интерференционного метода можно успешно проконтролировать не только тело изделия, но и его поверхности. На рис. 4 приведена дефектограмма, полученная при однократном зондировании тем же нефокусированным ПЭП образца, находящегося в воде, по сетке 0,5 х 0,5 мм. Видны не только все искусственные дефекты, но и следы механической обработки на обеих поверхностях.


Дополнительная обработка информации позволяет получить изображение, например, только верхней поверхности (рис. 5), где видны даже случайно оказавшиеся там пузырьки воздуха. Один из пузырьков хорошо виден на В-сканах сечений, проходящих через место его расположения (рис. 6).

Другой пример контроля поверхности проиллюстрируем с помощью бронзового образца, изображенного на рис. 7.


Он вырублен из листа гильотинными ножницами. С применением небольшого зубила на его поверхности выбита служебная надпись с высотой букв 12 мм. Результаты УЗК этого образца с помощью ИСД представлены на рис. 8.


Хорошо заметная на «акустическом» изображении надпись удовлетворительно соответствует реальной. Кроме того, на дефектограмме видны неровности поверхности и краев. Им соответствуют различные цвета и оттенки цветов. Проявляются также и внутренние неоднородности. Возможность анализа А-скана в любой точке зондирования объекта позволяет с помощью шкалы расстояния количественно оценивать геометрические особенности поверхности.

Выявление неоднородностей в теле изделия и определение их размеров

Большие возможности постпроцессинга предоставляет ИСД при исследовании объектов в теле изделия, начиная от структурных неоднородностей и заканчивая различными дефектами. Можно получать их изображения в различных сечениях образца. Реализуется послойное изучение объекта контроля. Пример изображения структурных неоднородностей дан на рис. 9. Оно получено для вольфрамового образца (рис. 2) на глубине 4 мм от поверхности сканирования А.


Обработка интерферограммы по всей толщине образца позволяет получить изображения всех внутренних неоднородностей (рис. 10), причем с размерами, соответствующими реальным.

Следует обратить внимание на двойной контур по периметру образца. Внешний контур дает увеличенные по отношению к реальным размеры и получен при использовании амплитудного метода «оконтуривания» объекта. Внутренний контур получен интерференционным методом и ему соответствуют реальные размеры. Здесь наглядно демонстрируется точность дефектометрии: для амплитудного метода – это расстояние между контурами (~ 4 мм или половина диаметра ультразвукового пучка); для интерференционного метода - толщина линии внутреннего контура (~ 0,5 мм или половина длины волны ультразвука). Точность определения размеров на дефектограммах обеспечивается еще и путем калибровки аппаратуры с применением специальных образцов. С их помощью добиваются геометрического соответствия изображений объектов самим объектам в этих образцах. После этого, не изменяя настроек, сканируют объект контроля.

Для иллюстрации возможностей ИСД были проведены исследования хорошо известного специалистам по УЗК стандартного образца ОСО-3Р (рис. 11).


Сканирование проводилось однократно с каждой из четырех сторон образца: А, Б, В и Г. На «акустических» изображениях поверхностей видны элементы разметки и надписи, полученные способом гравировки. На изображениях тела образца визуализируются не только все внутренние неоднородности, но и наложенные на них неоднородности верхней и «донной» поверхностей. Здесь уместно замечание о качестве материала для стандартных образцов. Известно, что его неоднородность влияет на значение скорости и затухания ультразвука в разных точках образца. Рис. 12а отражает состояние структуры стали конкретного экземпляра ОСО-3Р в слое толщиной 6 мм, отстоящем от поверхности В на 30 мм.


Если обратить внимание на В-скан сечения этого слоя (рис. 12б), то можно оценить степень искажений структурными неоднородностями поверхностей одинаковой фазы (фронтов) волны. На С-скане, полученном со стороны В (рис. 13) видны все отверстия, на которых цветом обозначено распределение амплитуды отраженной волны.


Максимальна амплитуда у выходов отверстий на поверхности А и Б. Здесь проявляется эффект «уголкового отражателя». Разброс амплитуды по всей дли не отверстия на основе исследования А-сканов составляет ~ 5 дБ. Стабильное отражение наблюдается лишь в средней части образца, составляющей примерно половину его толщины (15 мм). В это место не так просто «попасть» при калибровке дефектоскопа, используя, например, ПЭП со слегка стертым протектором, а значит с отклоненным лучом. Поэтому целесообразно изготавливать стандартные образцы с толщиной, в ~ 1,5 раза превышающей принятую (30 мм).

С помощью акустической лупы на рис. 14 представлен В-скан придонного слоя толщиной 10 мм при сканировании ОСО-3Р со стороны поверхности В.

На нем хорошо видны поверхности одинаковой фазы акустических сигналов, отраженных от трех отверстий и выступа, находящихся в этом слое. Форма этих поверхностей как результат дифракции весьма чувствительна к геометрическим особенностям отражателей и может быть критерием при оценке их идентичности. Проверялось это с помощью стандартного образца с плоскодонными отверстиями (рис. 15).


Проведя лишь одну операцию сканирования со стороны самой большой плоской поверхности, можно получить любые акустические изображения внутренних объектов в любых сечениях (рис. 16).


Применение акустической лупы позволяет детально исследовать поверхности одинаковой фазы дифрагированных сигналов, а значит проверять акустическую идентичность геометрически одинаковых отражателей. Для данного образца имелись отверстия с отклонениями их глубины отобозначенной. Одинаковые отверстия отличались по своим дифракционным свойствам. Это позволяет рекомендовать изготавливать эталонные плоскодонные отверстия наиболее точно и тщательно.

Контроль качества соединений многослойных изделий

В качестве наглядных примеров приведем результаты УЗК некоторых конструктивных элементов тепло-съемных панелей (ТП) термоядерного реактора. Объекты контроля (рис. 17) представляют собой сложные многослойные конструкции с внутренними каналами для перемещения жидкого теплоносителя.


Толщина слоев от 2 до 60 мм. Материалы слоев в направлении от рабочей зоны реактора к периферии расположены в порядке: вольфрам (бериллий), медь, бронза, аустенитная сталь. Для термостойкого соединения слоев применялись высокотемпературная вакуумная пайка, наплавка электронным пучком, сварка взрывом. Учитывая экстремальные условия эксплуатации (высокие температура и давление теплоносителя), ТП должны подвергаться обязательному тщательному НК качества как в процессе изготовления, так и в процессе эксплуатации. На рис. 18а представлен процесс УЗК изделия со слоями из бериллия, бронзы и аустенитной стали.

Для настройки чувствительности и точности дефектометрии использовался специальный стандартный образец предприятия (СОП) с такой же структурой и толщинами слоев, что и у объекта контроля. На рис. 18б изображена дефектограмма границы соединения плиток бериллия с бронзой, полученная до испытаний изделия. Хорошо видны места нарушения однородности соединения. Впоследствии объект контроля подвергли термическим испытаниям путем пропускания через него теплоносителя.

Произошло отслоение одной из плиток бериллия (рис. 18в), и на месте нарушенного соединения визуально обнаружилась неоднородность, повторяющая свое изображение на дефектограмме.

В качестве следующего примера приведем результаты УЗК двухслойных образцов размером 100 х 23 мм. По толщине каждый из них имеет слой вольфрама толщиной 8 мм, на который электронным лучом наплавлен слой меди толщиной 2 мм. В двух образцах со стороны меди до вольфрама изготовили плоскодонные отверстия соответственно диаметром 2 и 4 мм. Одновременно сканировали восемь образцов со стороны вольфрама. Дефектограмма представлена на рис. 19а.


Через отверстие 04 мм проходят сечения А - А и Б - Б, в которых получены В-сканы, приведенные на рис. 19б, в. Хорошо видны изображения отверстий и сечений поверхностей одинаковой фазы сигнала, отраженного от границы раздела вольфрам - медь. «Синфазные» линии являются плавными, что свидетельствует об отсутствии неоднородностей в вольфраме и в области границы на уровне сигналов от отверстий.

Иная картина наблюдается для наплавленного слоя меди, дефектограмма которого представлена на рис. 20а.


Видны области с различными физическими свойствами и границы между ними. На В-сканах сечений слоя меди (рис. 20б, в) хорошо заметны искажения «фазовых» линий сигнала, накопившего информацию после прохождения слоя. Обработка этих искажений позволяет уверенно обнаруживать малоконтрастные дефекты, когда амплитудные методы не дают результатов. В данном случае технология наплавки не способствовала созданию однородного слоя металла.

Малоконтрастные дефекты наиболее часто встречались при УЗК трехслойной (вольфрам, медь, бронза) верхней части конструкции ТП дивертора реактора (рис. 21а).


При контроле применялся специальный СОП (рис. 21б) для настройки чувствительности и точности дефектометрии (на уровне максимальной амплитуды или на уровне «реального размера» искусственного отражателя). СОП устанавливался на специальном юстировочном столике с целью соблюдения одинакового геометрического уровня и компланарности поверхностей СОП и изделия. После предварительных настроек по акустическому полю оба объекта совместно сканировались. В данном случае СОП является образцом- свидетелем, подтверждая таким образом стабильность и достоверность контроля. На рис. 22 приведены дефектограммы с образцом-свидетелем, обработанные амплитудным (рис. 22а) и интерференционным (рис. 22б) методами.


На интерферрограмме можно наблюдать не только явные дефекты, но и потенциально опасные участки, сигнал от которых не превысил уровня дефектоотметки.

Заключение

В настоящее время методики и аппаратура ИСД «ФАЗУС» успешно применяются для автоматизированного УЗК:

• экспериментальных деталей и конструкций ТП термоядерного реактора ITER (продольные и поперечные волны, иммерсионный ввод);
• поршней двигателей внутреннего сгорания (продольные волны, локальный иммерсионный ввод через смазочноохлаждающую жидкость);
• крупногабаритных подшипников жидкостного трения (продольные волны, струйный ввод через смазочноохлаждающую жидкость);
• сварных соединений основания и кожуха защиты работающего атомного реактора БН-600 (дистанционно и непрерывно, продольные волны и волны Лэмба, контактный ввод при температуре до 300 °С);
• труб малого и среднего диаметра (продольные и поперечные волны, щелевой ввод).

Аппаратный комплекс «ФАЗУС» используется для учебно-научных целей на кафедре «Электроакустики и ультразвуковой техники» СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Санкт- Петербург).

Литература

1. Пронякин В. Т., Васильев М. ю., Панченко ю. Н. Способ ультразвукового контроля изделий по ультразвуковым изображениям. - Патент RU № 2256172, (13.11.2002).

2. Петронюк Ю. С. Об ультразвуковой микроскопии. - В мире НК. 2008. № 4(42). С. 58-61.

Гурьева Т.М., Егоров Н.Н. Применение ультразвукового интерференционного сканирующего дефектоскопа. − В мире НК. – Сентябрь 2009 г. − № 3 (45). − С. 38−43. Статья любезно предоставлена редакцией журнала «В мире НК» (http://www.ndtworld.com). Наиболее точная и достоверная версия – в прикрепленном файле.